1 Mechanik

1.1 Kinematik 12
1.1.1 Beschreibung einer Bewegung 12
Exkurs: Die Grundgrößen Zeit und Länge 14
1.1.2 Die geradlinige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit 15
1.1.3 Die geradlinige Bewegung mit konstanter Beschleunigung 18
1.1.4 Bewegungsgesetze und mathematische Methoden 22
Exkurs: Verhalten im Straßenverkehr 25
1.1.5 Der freie Fall 26
Exkurs: GALILEI und die Fallgesetze 28
Exkurs: Messprozess und Fehlerrechnung 29
1.1.6 Der Wurf; Überlagerung von Bewegungen 30
Exkurs: Die Wurfbewegung - ARISTOTELES und GALILEI 33
1.1.7 Die gleichförmige Kreisbewegung 34
1.1.8 Vektorielle Darstellung von Bewegungen 36
Exkurs: Segeln - Kursnehmen mit Geschwindigkeitsvektoren 36

1.2 Dynamik; Impuls und Kraft 38
1.2.1 Trägheitsprinzip 38
1.2.2 Masse und Impuls 40
Exkurs: Beschleunigungssensor nutzt Trägheit 41
Exkurs: Die Grundgröße Masse - Einheit und Messung 41
1.2.3 Impuls und Impulserhaltung 42
1.2.4 Erstes und zweites Newton' sches Axiom; Grundgleichung der Mechanik 46
1.2.5 Dynamische und statische Kraftmessung 48
1.2.6 Drittes Newton' sches Axiom; Wechsel-wirkungskräfte 50
1.2.7 Reibungskräfte 52
Exkurs: Antriebs- und Fahrtwiderstandskräfte 53
1.2.8 Kräfte bei der Kreisbewegung 54
1.2.9 Trägheitskräfte im beschleunigten Bezugssystem: Galilei-Transformation und Inertialsystem 56
Exkurs: Vom Schwimmen und Fliegen 59

1.3 Energie und Energieerhaltung 60
1.3.1 Mechanische Energie 60
1.3.2 Existenzformen der Energie 62
1.3.3 Energieerhaltungssatz 65
1.3.4 Stoßvorgänge und Erhaltungssätze 68
Exkurs: Physik und Sport I 69

1.4 Die Rotation starrer Körper 70
1.4.1 Die gleichmäßig beschleunigte Drehbewegung; Drehmoment 70
Exkurs: Drehmomente am fahrenden Auto 71
1.4.2 Trägheitsmoment und Rotationsenergie 72
1.4.3 Der Drehimpuls und seine Erhaltung 74
Exkurs: Fahrleistung des Autos 75
1.4.4 Drehbewegungsgrößen in Vektorform 76
Exkurs: Kreisel 76
Exkurs: Physik und Sport II 77

1.5 Grundwissen Mechanik 78


2 Gravitation

2.1 Das Gravitationsgesetz 80
2.1.1 Das Sonnensystem 80
2.1.2 Die Erforschung von Gestalt und Größe der Erde und der Planetenbewegung 81
2.1.3 Newtons Gravitationsgesetz 84
2.1.4 Anwendungen des Gravitationsgesetzes 86
Exkurs: Aufbau des Erdkörpers 86

2.2 Das Gravitationsfeld 89
2.2.1 Feldbegriff und Feldstärke 89
2.2.2 Potentielle Energie im Gravitationsfeld 91
2.2.3 Schwere und träge Masse 93
Exkurs: Schweremessung und Gravimetrie 93

2.3 Bewegungen im Gravitationsfeld 94
2.3.1 Zentralkraft; Kepler'sche Gesetze 94
2.3.2 Bahnform und Energie der Satelliten 97
Exkurs: Galileo-Mission als Beispiel für "Swing by "-Manöver 99
Exkurs: Übergangsbahnen als Beispiel eines Hohmann-Transfers 99
2.3.3 Rakete und Raketengleichung 100
Exkurs: 1969 - die ersten Menschen auf dem Mond 101
Exkurs: Klassifikation von Satelliten 102

2.4 Grundwissen Gravitation 103
Exkurs: Geschichte der Mechanik und die klassi-sche Physik; Kausalität und Determinismus 104


3 Mechanische Schwingungen und Wellen

3.1 Schwingungen 106
3.1.1 Schwingungsvorgänge und -größen 106
3.1.2 Die harmonische Schwingung 107
3.1.3 Gesetze der harmonischen Schwingung 109
3.1.4 Die gedämpfte harmonische Schwingung 111
3.1.5 Beispiele harmonischer Schwingungen 112

3.2 Überlagerung von Schwingungen 114
3.2.1 Überlagerung zweier harmonischer Schwingungen 114
3.2.2 Fourier-Analyse; akustische Unschärfe 116
3.2.3 Die Energie des harmonischen Oszillators 118
3.2.4 Erzwungene Schwingungen 119
Exkurs: Resonanzerscheinungen 121

3.3 Entstehung und Ausbreitung von Wellen 122
3.3.1 Lineare Wellen; die Wellengleichung 122
3.3.2 Transversal- und Longitudinalwellen; Polarisation 124
Exkurs: Erdbebenwellen (seismische Wellen) 125
3.3.3 Zwei- und dreidimensionale Wellen 126
3.3.4 Der Doppler-Effekt 128
Exkurs: Überschallknall 128
3.3.5 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit; Dispersion 129

3.4 Wechselwirkungen von Wellen 131
3.4.1 Interferenz zweier Kreiswellen 131
3.4.2 Das Huygens'sche Prinzip 134
3.4.3 Reflexion und Brechung ebener Wellen 135
3.4.4 Beugung von Wellen; Streuung 137
3.4.5 Stehende Wellen; Eigenschwingungen 138
3.4.6 Stehende Longitudinalwellen 141
3.4.7 Stehende Schallwellen 142

3.5 Grundwissen Schwingungen und Wellen 144


4 Wärmelehre

4.1 Grundlagen 146
4.1.1 Die Temperatur und die Gasgesetze 146
4.1.2 Der atomistische Aufbau der Stoffe 149

4.2 Die kinetische Gastheorie 152
4.2.1 Die Grundgleichung der kinetischen Gastheorie 152
4.2.2 Kinetische Gastheorie und Molekülbewegung 154

4.3 Energieumwandlungen 156
4.3.1 Wärmeenergie und innere Energie 156
4.3.2 Der erste Hauptsatz der Wärmelehre 158
4.3.3 Energieumwandlung bei Volumenänderung 159
4.3.4 Spezifische Wärmekapazität idealer Gase 160
4.3.5 Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre 161
4.3.6 Wärmekraftmaschine, Wärmepumpe und Kältemaschine 163
4.3.7 Der Viertaktmotor 164
4.3.8 Kraftwerke 166

4.4 Die Strahlungsgesetze 168
Exkurs: Der Treibhauseffekt und die Bewohnbarkeit von Planeten 170

4.5 Die Entropie 172
4.5.1 Irreversible Vorgänge 172
4.5.2 Definition der Entropie 173
4.5.3 Entropie, Irreversibilität und Energieentwertung 175
Exkurs: Entropie und Wahrscheinlichkeit 176

4.6 Grundwissen Wärmelehre 177


5 Ladung und elektrisches Feld

5.1 Elektrische Ladung und elektrischer Strom 178
5.1.1 Trennung und Nachweis von Ladungen 178
5.1.2 Zusammenhang von Ladung und Stromstärke 180
Exkurs: Gesetzliche Ampere-Definition 181

5.2 Das elektrische Feld 182
5.2.1 Darstellung und Eigenschaften elektrischer
Felder 182
5.2.2 Elektrische Feldstärke 184
5.2.3 Energieumwandlung im elektrischen Feld 186
5.2.4 Elektrisches Potential und elektrische Spannung 188
Exkurs: Reizleitung in Nervenzellen 191
Exkurs: Entstehung von Gewittern 192
Exkurs: Xerografie (Trockenkopie) 193
5.2.5 Feldstärke und felderzeugende Ladung 194
Exkurs: Piezoelektrischer Effekt 195
5.2.6 Coulomb'sches Gesetz 196
5.2.7 Kapazität von Kondensatoren 198
Exkurs: Bauformen von Kondensatoren 200
5.2.8 Energie des elektrischen Feldes 201

5.3 Elektrische Stromkreise 202
5.3.1 Widerstände im Stromkreis 202
5.3.2 Kirchhoff'sche Gesetze 204
5.3.3 Auf- und Entladung eines Kondensators 206

5.4 Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Feld 208
5.4.1 Ionenleitung in Flüssigkeiten 208
5.4.2 Die Elementarladung 210
5.4.3 Elektronenleitung in Metallen 212
5.4.4 Austritt von Elektronen aus Leiteroberflächen 214
Exkurs: Feldemissionsmikroskop 215
Exkurs: Elektronenröhren 216
5.4.5 Freie Ladungsträger im Vakuum 217
5.4.6 Ablenkung eines Elektronenstrahls im elektrischen Feld 218
Exkurs: Oszilloskop 219
5.4.7 Leitungsvorgänge in Gasen 220

5.5 Grundwissen Ladung und elektrisches Feld 222


6 Bewegte Ladungsträger und magnetisches Feld

6.1 Kräfte im magnetischen Feld 224
6.1.1 Magnetfelder 224
6.1.2 Magnetische Feldstärke 226
6.1.3 Lorentz-Kraft 228
Exkurs: Blasen- und Funkenkammern weisen unsichtbare Teilchen nach 229
6.1.4 Der Hall-Effekt 230
6.1.5 Teilchen auf Kreisbahnen 232
6.1.6. Massenspektroskop 233
6.1.7 Teilchenbeschleuniger 234
Exkurs: Riesenwerkzeuge für kleinste Teilchen 235
6.1.8 Die Fernsehröhre 236
6.1.9 Das Elektronenmikroskop 236
6.1.10 Magnetische Flasche 238
Exkurs: Polarlicht 239

6.2 Ströme als Ursache von Magnetfeldern 240
6.2.1 Magnetfelder eines langen Leiters und einer langen Spule 240
6.2.2 Das Linienintegral der magnetischen Feldstärke 242
6.2.3 Materie im magnetischen Feld 244
Exkurs: Magnet-Schnellbahn 245

6.3 Elektromagnetische Induktion 246
6.3.1 Das Induktionsgesetz 246
6.3.2 Energieerhaltung und das Vorzeichen im Induktionsgesetz 250
6.3.3 Selbstinduktion 250
Exkurs: Magnetisch gespeicherte Information 254
6.3.4 Energie des magnetischen Feldes 255
6.3.5 Kopplung von elektrischem und magnetischem Feld 256

6.4 Grundwissen Bewegte Ladungsträger und magnetisches Feld 258


7 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

7.1 Wechselstromtechnik 260
7.1.1 Erzeugung von Wechselspannung 260
Exkurs: Von den Anfängen der Stromversorgung 261
7.1.2 Phasenbeziehungen im Wechselstromkreis 262
7.1.3 Wechselstromwiderstände 264
Exkurs: Spulen mit Eisenkern 265
7.1.4 Die Leistung im Wechselstromkreis 266
7.1.5 Wechselstromschaltungen 268
7.1.6 Der Transformator 270
Exkurs: Die öffentliche Versorgung mit elektrischer Energie 272

7.2 Elektrische Schwingungen und elektromagnetische Wellen 274
7.2.1 Der elektrische Schwingkreis 274
7.2.2 Elektrische Schwingungen 276
7.2.3 Ungedämpfte elektrische Schwingungen 278
7.2.4 Mikrowellen 280
7.2.5 Elektromagnetische Wellen 282
Exkurs: Nutzung von Mikrowellen 283
7.2.6 MAXWELLs elektromagnetische Wellen 284
7.2.7 Der Hertz'sche Dipol 286
7.2.8 Rundfunktechnik 288
Exkurs: Resonanzkreise als elektronische Filter 290

7.3 Licht als klassische Welle 292
7.3.1 Die Lichtgeschwindigkeit 292
Exkurs: Historische Experimente zur Bestim-mung der Lichtgeschwindigkeit 293
7.3.2 Beugung und Interferenz am Doppelspalt 294
7.3.3 Beugung und Interferenz am Gitter 296
7.3.4 Beugung und Interferenz am Spalt 298
Exkurs: Subjektive Beobachtung von Beugung
und Interferenz 299
7.3.5 Intensitätsverlauf bei Beugungsfiguren 300
7.3.6 Das Auflösungsvermögen optischer Instrumente 303
Exkurs: Das Auflösungsvermögen großer Teleskope 305
Exkurs: "Synthetische" Fernrohre - Tricks zur Vergrößerung der Öffnungen 305
7.3.7 Interferenzen an dünnen Schichten 306
7.3.8 Kohärenz 308
7.3.9 Holografie 310
7.3.10 Polarisiertes Licht 312
Exkurs: Polarisationsfolien - das Polaroid-Verfahren 312
7.3.11 Doppelbrechung und optische Aktivität 315
7.3.12 Strahlenoptik 318
7.3.13 Geschichte der Optik 321

7.4 Das elektromagnetische Spektrum 322
7.4.1 Überblick über das elektromagnetische Spektrum 322
7.4.2 Das optische Spektrum 324
7.4.3 Röntgenstrahlen 326
Exkurs: Röntgenstrukturanalyse 329

7.5 Grundwissen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 330


8 Chaotische Vorgänge

8.1 Das deterministische Chaos 332

8.2 Ein einfaches System mit chaotischem Verhalten 334

8.3 Wege ins Chaos - Verhulst-Dynamik und Feigenbaum-Szenario 338

8.4 Chaos und Fraktale 340
Exkurs: Das gesunde Herz - die richtige Dosis Chaos 341


9 Relativitätstheorie

9.1 Von der klassischen Physik zur Relativitätstheorie 342
9.1.1 Absoluter Raum und absolute Zeit 342
Exkurs: Navigation mit Satelliten: Das Global Positioning System (GPS) 343
9.1.2 Das Michelson-Experiment 344
9.1.3 Die Grundprinzipien der Relativitätstheorie 345

9.2 Die Kinematik der speziellen
Relativitätstheorie 346
9.2.1 Die relative Gleichzeitigkeit 346
9.2.2 Die Zeitdilatation 348
9.2.3 Myonen im Speicherring 350
Exkurs: Atomuhren messen die Zeitdilatation: Das Hafele-Keating-Experiment 351
92.4 Die Längenkontraktion 352
9.2.5 Raum-Zeit-Diagramme 353
9.2.6 Minkowski-Diagramme 354
9.2.7 Die Lorentz-Transformation 356
9.2.8 Die Addition der Geschwindigkeiten 357
9.2.9 Der optische Dopplereffekt 358
Exkurs: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft 359

9.3 Die Dynamik der speziellen Relativitätstheorie 360
9.3.1 Die relativistische Massenzunahme 360
9.3.2 Die Trägheit der Energie 362
9.3.3 Die Raum-Zeit und die Impuls-Energie 364
9.3.4 Eine Anwendung der Impuls-Energie 366
Exkurs: Die allgemeine Relativitätstheorie:
Grundlagen der Theorie 367
Exkurs: Die allgemeine Relativitätstheorie:
Experimentelle Tests 368

9.4 Grundwissen Relativitätstheorie 370


10 Einführung in die Quantenphysik

10.1 Grundlagen 372
10.1.1 Der lichtelektrische Effekt 372
10.1.2 Das Planck' sche Wirkungsquantum 374
10.1.3 Die Lichtquantenhypothese 376
10.1.4 Umkehrung des lichtelektrischen Effekts mit Leuchtdioden 377
10.1.5 Die kurzwellige Grenze der Röntgenstrahlung 378
10.1.6 Der Compton-Effekt 380

10.2 Verteilung der Photonen 382
10.2.1 Die Photonenverteilung hinter dem Doppelspalt 382
10.2.2 Photonenverteilung bei geringer Intensität 384
10.2.3 Feldstärke und Wahrscheinlichkeit 385

10.3 Ausbreitung von Elektronen 386
10.3.1 De-Broglie-Wellen 386
10.3.2 Welleneigenschaften von Elektronen 388
Exkurs: Interferenzen von Neutronen 389
Exkurs: Anwendung der Elektronen-interferenz: Der Quanten-T-Transistor 390

10.4 Quantenphysik und klassische Physik 392
10.4.1 Das Unschärfeprinzip 392
10.4.2 Messung der Unschärfe bei Photonen 394
Exkurs: Der Welle-Teilchen-Dualismus 395
10.4.3 Die Wellenfunktion 396

10.5 Grundwissen Quantenphysik 397
Exkurs: Interpretationsprobleme der Quantenphysik 398


11 Atomphysik

11.1 Energieaustausch mit Atomen 400
11.1.1 Die quantenhafte Absorption 400
11.1.2 Die quantenhafte Emission 403
11.1.3 Die Resonanzabsorption 404

11.2 Entwicklung der Atommodelle 405
11.2.1 Erforschung des Atoms mit Streuversuchen 405
11.2.2 Der Rutherford' sche Streuversuch 406
11.2.3 Das Atommodell von Rutherford 407
11.2.4 Das Bohr' sche Atommodell 408
11.2.5 Die Spektralserien des Wasserstoffatoms 410
Exkurs: Messungen an gebundenen Systemen 411
11.2.6 Vom klassischen zum quantenphysikalischen Atommodell 412

11.3 Das Atommodell der Quantenphysik 414
11.3.1 Der lineare Potentialtopf 414
11.3.2 Anwendungen des Potentialtopfmodells 416
11.3.3 Die Schrödinger-Gleichung 418
11.3.4 Numerische Lösung der Schrödinger-Gleichung 419
11.3.5 Analytische Lösung der Schrödinger-Gleichung für den linearen Potentialtopf 420
11.3.6 Analytische Lösung für Wasserstoff 422
11.3.7 Die Winkelabhängigkeit der Antreffwahrscheinlichkeit im H-Atom 424
11.3.8 Quantenzahlen des Atoms 425
11.3.9 Das Periodensystem der Elemente 426

11.4 Leistungen der Atommodelle 428
11.4.1 Die charakteristische Röntgenstrahlung und das Moseley' sche Gesetz 428
11.4.2 Absorption von Röntgenstrahlung 429
11.4.3 Spektren im sichtbaren Bereich 430
11.4.4 Lumineszenz 431
11.4.5 Der Helium-Neon-Laser 432
11.4.6 Berechnung der Absorptionsspektren von Farbstoffmolekülen 434
Exkurs: CD-R - die beschreibbare CD 435

11.5 Grundwissen Atomphysik 436


12 Elektronik und Festkörperphysik

12.1 Halbleiterschaltungen 438
12.1.1 Ionen und Elektronen im Festkörper 438
12.1.2 Halbleiter und Dotierung 440
12.1.3 p-n-Übergang und Dioden 442
12.1.4 Der bipolare Transistor 444
12.1.5 Der Feldeffekttransistor 446

12.2 Das quantenphysikalische Modell des Festkörpers 448
12.2.1 Zustände im Elektronengas 448
12.2.2 Die Fermi-Energie 450
12.2.3 Supraleitung 452
Exkurs: Supraleitung im Überblick 453
12.2.4 Absorptionsverhalten von Festkörpern 454
12.2.5 Leitfähigkeit von Halbleitern 455
12.2.6 Energiebänder 456
12.2.7 Elektronen und Löcher 458
12.2.8 Kontaktspannung 461

12.3 Analoge Signalverarbeitung 462
12.3.1 Der Operationsverstärker 462
12.3.2 Sensoren 464
12.3.3 AD-und DA-Wandler 466

12.4 Digitalelektronik 468
12.4.1 Computerbaugruppen 468
12.4.2 Digitale Grundschaltungen 470
Exkurs: Schaltungsfamilien, Geschwindigkeit, Verlustleistung 471
12.4.3 CPU und Rechenschaltungen 472
12.4.4 RAM und ROM 474
Exkurs: Laserdioden 476

12.5 Grundwissen Elektronik und Festkörperphysik 477


13 Kernphysik

13.1 Natürliche Radioaktivität 478
13.1.1 Ionisierende Wirkung radioaktiver Strahlung 478
Exkurs: Die stochastische Schwankung der Zählraten 480
13.1.2 Strahlungsarten 481
13.1.3 Eigenschaften der Strahlungen 482
13.1.4 Strahlungsdetektoren 485
13.1.5 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 488
Exkurs: Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung 492
Exkurs: Strahlenschutz 493

13.2 Aufbau und Systematik der Atomkerne 494
13.2.1 Masse und Radius der Kerne 494
13.2.2 Proton und Neutron als Kernbausteine 495
13.2.3 Ordnung der Kerne 496
Exkurs: Massenspektroskopie 497

13.3 Kernumwandlung und radioaktive Strahlung 498
13.3.1 Die natürlichen Zerfallsreihen 498
13.3.2 Gesetz des radioaktiven Zerfalls 500

13.4 Energie der Atomkerne; Kernmodelle 502
13.4.1 Massendefekt und Bindungsenergie 502
13.4.2 Das Tröpfchenmodell des Atomkerns 503
13.4.3 Das Potentialtopfmodell des Atomskerns 506
13.4.4 Der Beta minus- und der Beta plus-Zerfall 507
13.4.5 Der Alpha-Zerfall 507

13.5 Künstliche Kernumwandlung und Kernspaltung 509
13.5.1 Kernreaktionen 509
13.5.2 Künstliche Radioaktivität 511
13.5.3 Anwendung von Radionukliden 513
13.5.4 Kernspaltung 514
13.5.5 Bedingungen der Kettenreaktion 517

13.6 Nutzung der Kernenergie 518
13.6.1 Funktionsprinzipien von Reaktoren 518
13.6.2 Reaktortypen 520
Exkurs: Der Verbrauch fossiler Primär-energie und die Konsequenzen für die Atmosphäre 521
13.6.3 Schwierigkeiten und Risiken bei der technischen Nutzung der Kernenergie 522
Exkurs: Der Reaktorunfall von Tschernobyl am 26. April 1986 523

13.7 Kernfusion 524
13.7.1 Grundlagen der Kernfusion 524
13.7.2 Technische Probleme der Kernfusion 525

13.8 Grundwissen Kernphysik 528


14 Teilchenphysik

14.1 Vom Elektron zum Teilchenzoo 530

14.2 Wechselwirkungen und Austausch-teilchen; Quantenelektrodynamik 532

14.3 Die Seltsamkeit, der "Achtfache Weg" und die Quarks 534
Exkurs: Resonanzen - die Grenzen der Teilchenvorstellung 535

14.4 Das Standardmodell 536
14.4.1 Die Urteilchen und ihre Wechselwirkungen 536
14.4.2 Die starke Kraft und die Farbladungen 536
14.4.3 Teilchenprozesse im Standardmodell 538
14.4.4 Die Kernkraft 540
14.4.5 Ungelöste Probleme 540
Exkurs: Collider, Speicherringe und Riesendetektoren 541


15 Astrophysik

15.1 Die Erforschung des Universums 542
15.1.1 Optische Astronomie heute 542
15.1.2 Extraterrestrische Observatorien 544
Exkurs: Quasare - rätselhafte Objekte im fernen Universum 545
15.1.3 Die Entfernung der Sterne und der Galaxien 546
Exkurs: Warum pulsieren die Cepheiden? 547
15.1.4 Die Expansion des Universums 548

15.2 Die Sterne 550
15.2.1 Leuchtkraft und Temperatur der Sterne 550
15.2.2 Die scheinbare Helligkeit 552
15.2.3 Die Masse der Sterne 553
15.2.4 Radius und Dichte der Sterne 554
15.2.5 Sterneigenschaften und Masse 555
15.2.6 Wolken aus interstellarer Materie 556
15.2.7 Die Sternentstehung 558
15.2.8 Endstadien der Sternentwicklung 560

15.3 Die Entwicklung des Universums 564


16 Physik und Wissenschaftstheorie

16.1 Theorie; Hypothese; Gesetz; Modell 566

16.2 Philosophische Strömungen der Erkenntnisgewinnung 568


17 Anhang
Sachverzeichnis 570
Namenverzeichnis 575
Physikalische Konstanten 575
Astronomische Daten 576
Planetensystem 576
Spektraltafel 577
Tabelle einiger Nukleide (Atommassen) 577
Periodensystem der Elemente 578
Ausschnitt aus der Nuklidkarte 579